基于氟代效应设计钙钛矿铁电体系文献综述

 2023-08-16 14:46:01

文献综述(或调研报告):

1. 有机-无机杂化钙钛矿

有机-无机杂化钙钛矿(HOIPs)是ABX3钙钛矿材料的一个子类。其中A位和/或X位离子被有机阳离子或基团取代。有机-无机杂化钙钛矿结构中的有机成分引入了更多的功能及结构的灵活性,这是纯无机钙钛矿无法实现的。 最重要的是,有机组分多样的结构和化学可变性为通过简便的化学修饰来调节结构及其物理性质提供了大量机会[1]。1978年,根据报道的立方相MAPbX3(MA =甲基铵,X = Cl,Br或I)确定了有机-无机杂化钙钛矿的结构特征[2]。通过将X位点从单原子卤化物扩展到桥联分子基团,如氰基(CN-),叠氮基(N3-)等,也可以获得更为丰富的有机-无机杂化钙钛矿种类[3, 4]

可利用的钙钛矿材料的组分元素现在已经覆盖了元素周期表的相当一部分。钙钛矿结构的离子尺寸之比由Goldschmidt容限因子t[5]表示。由于HOIP中的A位和/或X位离子已被分子结构单元取代,因此容限因子适用于以下公式:t =(rAeff rXeff)/radic;2(rB hXeff / 2)。在该方程式中,rB为B位金属离子的Shannon离子半径,rAeff表示A位阳离子的有效半径,rXeff和hXeff表示X位分子离子的有效半径和长度[6]。计算发现HOIP的容限因子t均在〜0.8–1.0范围内。这些结果与常规钙钛矿的结果相似,证明了Goldschmidt容限因子的扩展有效性。

此外,很明显,堆积密度在HOIP的形成中起着关键作用。这种简单的用于评估尺寸相容性的半经验方法,可以指导利用具有特定功能的化合物进行合理设计并合成新的HOIP。最近发现的几种甲酸盐和卤化物HOIPs证实了这种用于预测实验结果的强大工具。但是,值得注意的是,容限因子显示出对某些卤化物HOIPs稳定性的预测有限[7, 8]。因此,在计算Shannon离子半径时,还需要考虑到B–X键的共价性(X = Cl,Br或I)。此外,几何因子八面体因子 mu; 决定了B位阳离子与X6八面体的契合度,可用于评估A位和B位阳离子的相容性。通过使用二维 t–mu; 结构映射方法,可以有效预测杂化钙钛矿卤化物的稳定性。

理想的钙钛矿结构为立方钙钛矿,Pm3m空间群。常见的X离子均为负一价,只能与一些低价态的B离子配位,限制了B离子的种类,也限制了A阳离子一般为正一价。有效离子半径更大的X离子会使三维框架拥有更大的空隙,因此可以容纳更大体积的A阳离子。同时,A位有机阳离子与X位阴离子存在氢键作用,影响三维结构的变形。不同结构的A,B和X离子均会影响容限因子的大小,从而使分子在不同的晶系结晶。而随着温度变化,A位的有机阳离子的无序状态发生变化,使BX6的八面体变形,产生不同的空间群,进而引发结构相变,甚至是铁电相变。

2. 铁电材料

铁电材料是一种具有铁电性质的重要功能材料。铁电材料存在自发极化,其具有两个或多个取向,可以随着外加电场方向的改变而发生改变[9]。1920年,Valasek发现罗息盐(酒石酸钾钠)晶体具有一种特异的非线性介电行为,其极化强度与电场强度之间的回先出现了与铁磁性质中的磁滞回线类似的曲线,因此提出了“铁电性”的概念。直到1935-1938年,科学家才发现磷酸二氢钾(KDP)也具有铁电性质。1945年后,随着三维钙钛矿结构的无机铁电材料钛酸钡(BaTiO3)被发现后,铁电材料才得到了更广泛的关注。现今,铁电材料已经被广泛应用于存储器,红外探测,光学倍频器等多种前沿领域[10]

电介质晶体分属于32个点群,均具有介电性质,可以通过外加电场诱导极化。结晶于其中20种非中心对称点群的晶体属于压电材料,即在晶体受到外部机械力作用时,某部分表面会出现电荷的积累。在这20种点群中,又有10种点群具有特殊的极化方向,为极性点群。这类晶体具有热释电效应,即晶体的极化强度会随外界温度而变化。因此铁电材料具有介电,压电及热释电三种特性。在某一特定温度,铁电材料会发生从铁电相到顺电相的改变,这个温度被叫做居里温度Tc。但不是所有的铁电材料都具有居里点,有少数的材料在居里点之前就开始分解了[11, 12]。铁电相变属于结构相变。在这个过程中,具有高对称性的顺电相的某些对称元素消失,变为低对称性的铁电相。顺电相到铁电相的这种对称破缺满足居里对称性原理,Aizu等人据此推导得到88种铁电相变[13]

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